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ATMÓSFERA PRIMITIVA Para comprender cómo comenzaron los procesos atmosféricos en la Tierra además de saber cómo se formó el planeta debemos de saber cómo era la atmósfera primigenia y cómo se comportaba el vapor de agua en ella. Los datos sobre sedimentos y rocas muy antiguas sugieren que la Tierra tenía una atmósfera diferente a la que actualmente presenta, que es rica en nitrógeno y oxígeno. Hay un consenso que la atmósfera primigenia no contenía oxígeno libre. Sin embargo, ha habido mucha controversia sobre la naturaleza de sus componentes. Dentro de los estudios sobre evolución química, el conocimiento sobre la naturaleza de la atmósfera primitiva es uno de los aspectos más importantes, ya que esa atmósfera proporcionó la materia prima para llevar a cabo la síntesis de compuestos más complejos. En la actualidad se piensa que gases tales como nitrógeno, vapor de agua y dióxido de carbono eran los principales componentes de la atmósfera primitiva y le dan un carácter neutro, y un color rojo al cielo. En una primera aproximación podemos decir que la atmósfera terrestre comenzó a formarse hace unos 4.600 millones de años con el nacimiento de la Tierra. La mayor parte de la atmósfera primitiva se perdería en el espacio, pero nuevos gases y vapor de agua se fueron liberando de las rocas que forman nuestro planeta. El vapor de agua procedía de la evaporación del agua terrestre. La primera hipótesis es que la atmósfera de las primeras épocas de la historia de la Tierra estaría formada por vapor de agua, dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno, junto a muy pequeñas cantidades de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO) pero con ausencia de oxígeno. Era una atmósfera ligeramente reductora ya que la tendencia sería a que el oxígeno se fijase en diferentes compuestos. Sería, pues, una atmósfera con, tan sólo, trazas de oxígeno. ¿Es necesaria una atmósfera sin oxígeno para que aparezca la vida? Parece ser que sí. Hay dos factores que impiden el origen de la vida en la Tierra de hoy. Primero, si se formara una sustancia química compleja en la Tierra presente, es probable que fuera comida por algún animal o planta microscópica. El segundo peligro para la evolución química hoy en día es el oxígeno de la atmósfera. Así como un pedazo de hierro se enmohece (oxida) si se deja sin protección en nuestra atmósfera, también las complejas sustancias químicas biológicas necesarias para el origen de la vida se oxidarán si se dejan solas. La oxidación de estas sustancias químicas las descompone y las inutiliza para la evolución posterior de la vida. Cualquier teoría seria sobre la formación de la atmósfera implica conocer las condiciones que deben haber llevado a la acumulación de una atmósfera de gas alrededor de cualquier cuerpo celeste con suficiente masa para sostenerla. Para William Rubey, en su clásico artículo «Desarrollo de la hidrosfera y la atmósfera», hay varias razones para su hipótesis acerca de la composición de la primera atmósfera. «Las razones que han llevado a estos escritores a considerar el metano o el amoníaco, o ambos, como constituyentes principales de la atmósfera primitiva, son, posiblemente, varias, pero entre ellas puede estar una o más de las siguientes: Primero, sabemos que el hidrógeno y el helio exceden grandemente en abundancia a todos los demás elementos químicos. Si el hidrógeno fue en alguna época muy abundante en la atmósfera de la Tierra, entonces el metano y el amoníaco, y no el dióxido de carbono ni el nitrógeno, debieron haber sido los gases predominantes. Una segunda consideración es el hecho de que el metano y el amoníaco son los gases más abundantes en las atmósferas de los otros planetas principales. Tercero, la hipótesis de Oparin (1938) y Horowitz (1945) es muy atractiva para los científicos de muchos campos especializados. El postulado es que antes que el ozono se convirtiera en constituyente importante de la atmósfera de la Tierra, se sintetizaron compuestos orgánicos complejos por medio de los procesos fotoquímicos; que así se originaron las formas más primitivas de vida; y que estas primeras moléculas, que se duplicaban solas, evolucionaron hacia organismos más especializados al consumir la provisión de compuestos orgánicos formados anteriormente. Finalmente, Miller (1953) ha logrado sintetizar dos aminoácidos al pasar una descarga eléctrica (cuyos efectos se compararían a los del rayo) a través de una mezcla de vapor y agua, metano, amoníaco e hidrógeno. Así pues, la evolución de la atmósfera puede dividirse en varias etapas: En las primeras fases de su existencia, su naturaleza fue determinada por los procesos fundamentales implicados en la formación y evolución primitivas del planeta. En la base de todos estos procesos está la posición de la Tierra dentro del sistema solar, la distancia de la Tierra al Sol y su temperatura de equilibrio. El calor derivado de los procesos que formaron la Tierra sólida causaron el escape de gases de esos elementos que están en la superficie de la Tierra, o cerca de ella, que más fácilmente se evaporaban. Sin embargo, hay otros autores que opinan que la atmósfera primigenia contenía nitrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor de agua, hidrógeno y gases inertes, componiendo la nube original de polvo cósmico y gas. El vigoroso viento solar puede haberse llevado la mayor parte de esta atmósfera primitiva durante los primeros 1.000 millones de años de vida de la Tierra. A medida que la Tierra se solidificaba, la pérdida de gases de la parte interna más caliente dio lugar al comienzo de la formación de la atmósfera de los días presentes, dominada por el nitrógeno, el oxígeno, el argón y el dióxido de carbono. EVOLUCIÓN La composición de la atmósfera terrestre no permanece estacionaria, sino que varía con el paso del tiempo por diversas causas. Además, los elementos ligeros están continuamente escapándose de la gravedad terrestre; de hecho, en la actualidad se fugan unos

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tres kilogramos de hidrógeno y 50 gramos de helio cada segundo, cifras que en tiempos geológicos (millones de años) resultan decisivas, aunque compensan, al menos en gran parte, la materia recibida del sol en forma de energía.

Se pueden establecer diferentes etapas evolutivas de la atmósfera según su composición:

ORIGEN Su origen se produce por:

Pérdida de la capa de gases de la nebulosa original (H y He).

Aumento de la masa de la Tierra lo que generó un aumento de la Gravedad. Enfriamiento de la Tierra.

Formación de la atmósfera primitiva.

Desgasificación de la corteza terrestre. Formación de una capa de gases: atmósfera primitiva. Esta atmósfera, tiene una composición parecida a las emisiones

volcánicas actuales, donde dominarían el N2, CO2, HCl y SO2.

Algunos gases y el H2O de procedencia externa (Cometas). Etapa prebiótica

Antes de la vida, la atmósfera sufrió unos cambios:

Condensación del vapor de agua: formación de los océanos y disolución de gases en ellos (CO2, HCl y SO2).

Principal gas de la atmósfera: Nitrógeno (N2).

No había oxígeno (O2). Etapa microbiológica

Etapa con la aparición de las primeras bacterias anaeróbicas (que usan H y H2S) y fotosintéticas (Bacterias del azufre y cianobacterias):

Comienza la producción de O2 del océano.

El O2 producido se utiliza para oxidar las sustancias reducidas del océano. Prueba de ello son la deposición de las formaciones de hierro en bandas:

Fe+3 + O2 → Fe2O3

Una vez oxidado las sustancias, empieza la producción de O2 para la atmósfera.

El O2 liberado se gasta para oxidar sustancias reducidas de la corteza terrestre. Prueba de ello son la formación de capas rojas de origen continental.

Etapa biológica

Etapa con la aparición de organismos eucariotas con fotosíntesis más eficiente:

Aumento del O2 en la atmósfera hasta la concentración actual (21%).

Formación de la capa de O3 (protección de la radiación ultravioleta del Sol), permitiendo la colonización de las tierras emergidas.

ORIGEN DEL AGUA EN LA TIERRA Se sabe que el planeta Tierra se formó hace 4.500 millones de años. La teoría más aceptada acerca del origen de la Tierra es la de los planetesimales. En su origen, la temperatura de la Tierra era muy alta y con numerosos impactos de meteoritos y otros cuerpos celestes, también se producían en su superficie muchas explosiones y erupciones volcánicas que expulsaron a la atmósfera, entre otras cosas , vapor de agua. Cuando la Tierra primitiva se fue enfriando, esto permitió que el vapor de agua presente en la atmósfera primitiva se condensara y se produjeran las primeras lluvias, lo que dio lugar a la formación de los océanos. Todo esto se supone que ocurrió hace aproximadamente 4.000 millones de años. Ahora se sabe que la Tierra es el único planeta que presenta agua en estado líquido. Los procesos de generación del agua y del oxígeno molecular en la Tierra son los principales responsables de la amplia variedad de formas en la que se manifiesta la vida hoy en día. Estas dos sustancias son los principales reactivos metabólicos de los organismos vivos en todos sus niveles de organización y complejidad. El agua es necesaria para la formación y combinación de las diferentes moléculas inorgánicas y orgánicas que dieron origen a los coacervados, los cuales posteriormente originaron las primeras células, a partir de las que se desarrollaron todas las demás formas de vida. La existencia de agua líquida, pues, es condición necesaria para que aparezca la vida.

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TEORÍAS DEL ORIGEN DEL AGUA EN LA TIERRA En la actualidad se plantean dos teorías sobre el origen del agua en la Tierra: la teoría volcánica, y la teoría extraterrestre de los meteoritos transportadores de agua. Ambas teorías siguen discutiéndose por las escuelas de científicos que toman una u otra posición, aunque actualmente se ha visto que lo más razonable es aceptar ambas teorías ya que una complementa a la otra. La teoría volcánica plantea que el agua se formó en el centro de la Tierra, por reacciones a altas temperaturas (527 ºC) entre átomos de hidrógeno y oxígeno. Las moléculas formadas por esta reacción fueron expelidas a la superficie terrestre en forma de vapor (por la temperatura a la que se encontraban); algo de este vapor de agua pasó a formar parte de la atmósfera primitiva (esta atmósfera primitiva carecía de oxígeno molecular), y otra parte se enfrió y condensó para formar el agua líquida y sólida de la superficie terrestre. Este proceso tomó millones de años, pero las evidencias experimentales que se tienen actualmente plantean que el agua está presente en la Tierra hace unos 3.800 millones de años. La teoría más reciente atribuye el origen del agua a causas extraterrestres. Numerosos estudios realizados por la NASA apoyan los planteamientos de Tobias, Mojzsis y Scienceweek quienes afirman que el agua llegó a la Tierra en forma de hielo, en el interior de numerosos meteoritos, que al impactar sobre la superficie terrestre liberaron este compuesto y llenaron los océanos (o al menos parte de ellos). Cuando esta teoría fue planteada recibió una gran cantidad de críticas y censuras, pero estudios referidos por Mojzsis hablan de otros impactos de meteoritos sobre la Tierra, a los cuales se atribuye el haber contribuido con concentraciones significativas de otros elementos y moléculas químicas a la «sopa» donde se originaron las macromoléculas orgánicas y los coacervados. Posteriormente, científicos de la NASA han comunicado algunos descubrimientos que constituyen la primera evidencia sólida para este suceso: análisis del cometa S4 LINEAR han mostrado una similitud muy grande entre la composición y estructura química de éste con el agua que actualmente existe en los océanos de la Tierra, así como estudios de presencia de deuterio (D), átomos de hidrógeno con un neutrón extra, característicos de este tipo de cometas, inclusive en las profundidades de los mares, siendo que el D2O se encuentra en toda el agua —independientemente del tipo de cuerpo de agua o la profundidad— en una relación natural aproximada de 99,85% de H y 0,15% de D. Si bien ambas teorías son muy distintas y tienen poco en común, ambas todavía dejan algunas dudas sobre su validez, ya que ninguna de ellas explica del todo el origen del agua en el planeta. La teoría volcánica habla de una hidrogenéis masiva en el centro de la Tierra, proceso que fue desarrollándose paralelamente a la formación de la atmósfera primitiva, por lo que una parte considerable del agua generada por las reacciones químicas tuvo que evaporarse hacia el espacio o reaccionar con otros compuestos de la atmósfera primitiva. Por otro lado, si bien la presencia de hielo en algunos planetas, la luna y algunos cometas apoya la teoría extraterrestre, los niveles de xenón presentes en la atmósfera terrestre son diez veces mayores que los presentes en los cometas, aunque se debe considerar que esta variación puede estar influenciada por las condiciones de gravedad en la Tierra que son diferentes a las de los cometas, y que el xenón —como gas noble— no sufre reacciones químicas y no puede ser fijado como compuesto. En este caso la interpretación de la cantidad de xenón puede ser usada como prueba tanto para aceptar como para refutar la teoría extraterrestre, dependiendo de cómo se interpreten estos hallazgos. Las consideraciones anteriores sugieren, según Tobias, que el agua en la Tierra no fue originada por una sola causa, sino que más bien debería pensarse en un hipotético origen mixto, ya que de esta manera se complementan ambas teorías bajo un postulado lógico y coherente: parte del agua se originó en la Tierra por reacciones a elevadas temperaturas y erupciones volcánicas, y la otra parte provino de los cometas. Esta idea concuerda también con el planteamiento de que la atmósfera y los océanos se desarrollaron juntos. S in embargo, tampoco existen pruebas contundentes para aceptar plenamente el origen mixto, y quedan abiertas las puertas al planteamiento de otras nuevas teorías.